弱電網(wǎng)下并網(wǎng)逆變器的阻抗相角動(dòng)態(tài)控制方法研究
2017-5-14 19:40:56??????點(diǎn)擊：
江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京航空航天大學(xué))的研究人員張旸、陳新、王昀、龔春英，在2017年第1期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文指出，由于大功率分布式發(fā)電裝置的散落分布，電網(wǎng)表現(xiàn)出弱電網(wǎng)特性，電網(wǎng)阻抗會(huì)影響并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定性，使并網(wǎng)電流發(fā)生諧波振蕩，甚至系統(tǒng)失穩(wěn)。
首先建立了LCL型單相并網(wǎng)逆變器的輸出阻抗數(shù)學(xué)模型，通過(guò)阻抗分析方法研究了弱電網(wǎng)工作條件下并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定性；然后基于系統(tǒng)相角裕度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制思路，提出了一種并網(wǎng)逆變器的阻抗相角補(bǔ)償控制策略，給出該阻抗相角動(dòng)態(tài)控制策略的具體實(shí)現(xiàn)方法與參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程，并定量分析了鎖相環(huán)、數(shù)字控制延遲與阻抗相角補(bǔ)償控制對(duì)逆變器輸出阻抗數(shù)學(xué)模型的影響，以及阻抗相角補(bǔ)償控制策略對(duì)逆變器并網(wǎng)電流基頻相位的影響；最后結(jié)合脈沖響應(yīng)法在線測(cè)量電網(wǎng)阻抗，設(shè)計(jì)阻抗相角動(dòng)態(tài)控制方案，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)該方案的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。
分布式發(fā)電系統(tǒng)呈散落分布狀，其需要大量變壓器及較長(zhǎng)的輸電線連接入公共電網(wǎng)，使得公共電網(wǎng)存在一個(gè)不可忽略且隨電網(wǎng)運(yùn)行方式發(fā)生變化的等效電網(wǎng)阻抗，表現(xiàn)出弱電網(wǎng)特性[1]。同時(shí)，在公共連接點(diǎn)(Point of CommonCoupling，PCC)的電壓可能存在較為嚴(yán)重的諧波[2]。作為分布式發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)間接口的并網(wǎng)逆變器，工作在弱電網(wǎng)下時(shí)，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性將會(huì)受到影響。因此弱電網(wǎng)下并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定性問(wèn)題成為國(guó)內(nèi)研究的熱點(diǎn)。
文獻(xiàn)[3]研究了弱電網(wǎng)對(duì)并網(wǎng)逆變器電流控制器與鎖相環(huán)(Phase LockedLoop，PLL)的影響，通過(guò)時(shí)域響應(yīng)分析方法，研究了比例積分(PI)控制器、比例諧振(PR)控制器及滯后控制器在弱電網(wǎng)下的動(dòng)態(tài)性能變化以及系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題。文獻(xiàn)[4]分別評(píng)估了應(yīng)用有源阻尼控制、諧波振蕩控制、重復(fù)控制及電網(wǎng)電壓前饋控制四種控制方法的單相并網(wǎng)逆變器在弱電網(wǎng)下工作的穩(wěn)定性問(wèn)題。
文獻(xiàn)[5]分析了電網(wǎng)阻抗對(duì)并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)的影響，并給出一種改進(jìn)的電網(wǎng)電壓前饋控制策略用于提高弱電網(wǎng)下并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[6]研究了在大型光伏電站多逆變器并聯(lián)工作情況下電網(wǎng)阻抗對(duì)逆變器電流控制的影響，通過(guò)建立三相LCL并網(wǎng)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)等效模型分析在弱電網(wǎng)工作條件下系統(tǒng)穩(wěn)定性以及諧波放大原因。
通常研究弱電網(wǎng)下并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定性采用控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模的方法[3-6]，即通過(guò)分析不同電網(wǎng)條件下開(kāi)環(huán)控制函數(shù)的特性研究并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定性。但該方法將控制參數(shù)模型和電網(wǎng)阻抗參數(shù)耦合在一起，使得分析和設(shè)計(jì)過(guò)程變得復(fù)雜。因此，一種基于阻抗的穩(wěn)定性分析方法被提出[7]，該方法將并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)視為兩個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，通過(guò)獨(dú)立控制逆變器的阻抗實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。
目前，阻抗控制的方法可以分為三類(lèi)：1通過(guò)改變并網(wǎng)逆變器電流控制器結(jié)構(gòu)及鎖相環(huán)的參數(shù)實(shí)現(xiàn)阻抗控制[8-10]；2通過(guò)虛擬無(wú)源器件改變并網(wǎng)逆變器濾波器的等效結(jié)構(gòu)與參數(shù)實(shí)現(xiàn)阻抗控制[11，12]；3通過(guò)定義阻抗控制環(huán)節(jié)直接作用于并網(wǎng)逆變器輸出阻抗實(shí)現(xiàn)阻抗控制[13-17]。三類(lèi)阻抗控制的方法各有其局限性，可能存在控制范圍有限、針對(duì)性不強(qiáng)的問(wèn)題。同時(shí)大部分阻抗控制的研究都未考慮鎖相環(huán)對(duì)逆變器輸出阻抗的影響。
本文以提高弱電網(wǎng)下并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定性為目標(biāo)，提出一種并網(wǎng)逆變器阻抗相角補(bǔ)償控制方案，實(shí)現(xiàn)不同電網(wǎng)阻抗下逆變器阻抗相角的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，有效提高并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定性。
首先建立考慮鎖相環(huán)及采樣與數(shù)字控制延遲的LCL型單相并網(wǎng)逆變器輸出阻抗數(shù)學(xué)模型，并基于阻抗的分析方法分析并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定性；然后提出一種并網(wǎng)逆變器阻抗相角補(bǔ)償控制策略，給出實(shí)現(xiàn)方法與參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程，并分析阻抗相角補(bǔ)償控制策略對(duì)并網(wǎng)逆變器輸出阻抗的影響；最后基于提出的控制策略，設(shè)計(jì)阻抗相角動(dòng)態(tài)控制方案，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)該方案進(jìn)行驗(yàn)證。
圖1 弱電網(wǎng)下考慮鎖相環(huán)及采樣與數(shù)字控制延遲的單相并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)
結(jié)論
本文基于阻抗分析方法研究在弱電網(wǎng)下電網(wǎng)阻抗對(duì)并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，獲得以下研究成果：
1）基于阻抗分析方法研究弱電網(wǎng)下并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定性，并針對(duì)交截頻率相角不足的問(wèn)題提出了阻抗相角補(bǔ)償控制策略，可以在不影響輸出阻抗幅值增益的條件下實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)系統(tǒng)的相角裕度補(bǔ)償。
2）考慮鎖相環(huán)及采樣與數(shù)字控制延遲對(duì)單相并網(wǎng)逆變器輸出阻抗的影響，建立并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)輸出阻抗的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)對(duì)加入阻抗相角補(bǔ)償控制后并網(wǎng)逆變器的輸出阻抗進(jìn)行建模分析。
3）結(jié)合脈沖響應(yīng)法在線測(cè)量電網(wǎng)阻抗技術(shù)，提出并網(wǎng)逆變器阻抗相角動(dòng)態(tài)控制方案，該方案在不同電網(wǎng)阻抗工作條件下實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)逆變器的相角主動(dòng)補(bǔ)償控制，提高了并網(wǎng)電流的電能質(zhì)量與系統(tǒng)穩(wěn)定性。
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